利用LF-NMR研究杏鲍菇热风干燥过程中的水分迁移

周先民

（湖北航天化学技术研究所，湖北 襄阳 441003）

杏鲍菇为侧耳科侧耳属真菌，因菌柄组织致密、结实，肉质肥厚，具独特的杏仁香味和如鲍鱼的爽滑口感，且富含蛋白质、多糖、多种维生素及矿物质，集营养、保健于一体，深受消费者的喜爱。随着食用菌产业化发展进程的加快，各类食用菌的产量逐年增长，杏鲍菇从初级加工往精深加工的发展势在必行。但杏鲍菇水分含量高，后熟性强，极易腐烂变质，干制是解决杏鲍菇贮藏和深加工问题的关键手段。目前，杏鲍菇的干制工艺主要有热风干燥、［1］热泵干燥、［2］微波真空干燥、［3］真空冷冻干燥、［4］热风—微波真空联合干燥［5］等。其中，热风干燥因热空气与待干燥物料直接接触面积大、热源稳定、成本低，在农产品干燥加工中应用广泛。

物料内的水分含量及物料与水分的结合状态是影响干燥效率的重要因素。［6］对物料内水分存在状态及干燥过程中水分迁移规律的了解有助于更好地优化干燥工艺。［7～9］目前，LF-NMR无损检测技术广泛应用于食品领域，是研究食品内水分存在状态的有效手段之一。［10～12］其原理是根据物料内的氢核被一定频率的射频脉冲激发后与交变磁场发生能量交换，氢核将吸收的能量释放出来，氢核的弛豫时间T2随干燥时间和温度的变化而变化，通过核磁共振T2及相关信号的检测间接得知物料内部水分分布的信息。［13］本文主要利用LF-NMR无损检测技术测定杏鲍菇在热风干燥过程中随干燥时间和干燥温度变化水分迁移的规律，为杏鲍菇深加工技术的开发和利用提供理论参考。

一、材料与方法

（一）材料与仪器

1.材料。杏鲍菇购自襄阳市檀溪湖菜市场，选择新鲜、菌柄肥厚、乳白色的杏鲍菇。

2.仪器。101-3型电热鼓风恒温干燥箱，上海恒幸仪器设备厂；NMI-20型低场核磁共振仪，上海纽迈电子科技有限公司。

（二）测试方法

1.杏鲍菇热风干燥试验。将杏鲍菇的菌柄切成长、宽、厚分别为3 cm×3 cm×3 mm的薄片，干燥箱的温度先设置为90℃，将杏鲍菇薄片干燥至含水量为13%（每隔5 min取出称重），此水分含量视为干燥终止时的既定含水量。再分别在80℃、70℃、60℃和50℃条件下按照90℃时的干燥方式将杏鲍菇干燥至该水分含量。每个温度梯度设3个重复，取平均值。

2.LF-NMR测定杏鲍菇水分迁移规律。每个温度梯度下，间隔15 min取出杏鲍菇薄片称重，再将薄片放入核磁管中置于核磁线圈中利用自由感应衰减序列（free induction decay，FID）寻找中心频率和硬脉冲脉宽。杏鲍菇横向弛豫时间T2采用硬脉冲回波CPMG（carr-purcell-meiboom-gill）序列测定，设置的CPMG序列的主要参数为：主频SF=20 MHz，偏移频率O1=532.733 3 KHz，90°脉冲和180°脉冲时间分别为：P90=4.48 μs，P180=10.8 μs，累加次数NS=16，回波个数NECH=10 000。［14］

3.杏鲍菇干燥特性曲线的绘制。干燥期间，每隔5 min测定待测物料的含水率，绘制干基含水率与干燥时间之间的关系曲线，即为干燥特性曲线。绝对干料的质量为Mg（g），物料干燥至t时刻测得的质量为Mt（g），物料在t时刻对应的干基含水率为Wt（%），Wt计算公式如下：［15］

式中，Mg=M0×（1-W湿），M0Gt为湿物料的起始质量（g）；W湿为物料的湿基含水率（%），其测定方法依照GB/T 5009.3-2016《食品安全国家标准食品中水分的测定方法》。［16］

（三）数据处理

用Origin8.5软件进行数据处理，利用核磁共振自带的反演软件对数据进行反演得杏鲍菇横向弛豫时间（T2）反演图谱。

二、结果与分析

（一）干燥温度对杏鲍菇干燥特性的影响

杏鲍菇在50～90℃条件下的干燥特性曲线见图1。在干燥初期，杏鲍菇在各温度下的干基含水率均急剧降低，随着干燥时间的延续降速逐渐平缓。50℃条件下干燥时，杏鲍菇的干基含水率随干燥时间的延长降速最为平缓，其次为60℃和70℃。80℃条件下，干燥特性曲线逐渐变陡，90℃温度下曲线最陡。干燥特性曲线越陡，干燥达到既定水分（本实验中样品的湿基含水率统一设为13%）时所需要的时间越短，90℃条件下仅需35 min，而在80℃、70℃、60℃和50℃时则分别需要55 min、75 min、90和140 min。可见，温度越高，样品的干燥曲线越陡，达到既定干燥水分时所花的时间越短。

图1 不同温度下杏鲍菇干基含水率随干燥时间的变化

（二）不同干燥时间和温度下杏鲍菇水分的迁移规律

1.干燥时间对杏鲍菇低场核磁共振反演图谱的影响。干燥时间对杏鲍菇低场核磁横向弛豫时间（T2）的影响如图2所示。实验过程中，各温度均间隔15 min进行一次低场核磁图谱的测定，干燥时间对杏鲍菇低场核磁共振图谱的影响在各温度下均有相似的变化趋势。在杏鲍菇干燥过程中，以60℃条件下每隔15 min测得的低场核磁T2图谱予以说明。杏鲍菇T2反演后在各时间段均出现3个明显的波峰，代表杏鲍菇菌柄内3种不同状态的水：分别标记为T21（0.01-10 ms，结合水）、T22（10-100 ms，半结合水）和T23（100-1 000 ms，自由水）。其中，T23横向弛豫时间最长，水的自由度最大。随着干燥时间的增加，波峰均向左迁移，自由度最大的自由水降幅最大。表明在干燥过程中，杏鲍菇散失的自由水最多，水分子的自由度和流动性变差，逐渐向半结合水和结合水迁移。

图2 干燥时间对杏鲍菇横向弛豫时间T2反演图谱的影响

2.干燥温度对杏鲍菇低场核磁共振反演图谱的影响。为了显示温度对杏鲍菇低场核磁共振反演图谱的影响，我们从5个温度中挑选50℃、70℃和90℃共3个温度，在这3个温度下均干燥30 min予以说明（图3）。各温度下干燥时均出现3个明显的波峰，50℃下自由水对应的峰值最大（310.707 61），70℃次之（64.446 162），90℃下对应的峰值最小（40.986 58）。半结合水对应的峰值有类似的表现，而结合水对应的峰值基本相近。另外，随着温度的升高，自由水和半结合水对应的吸收峰逐渐回落。表明温度升高可加快水分散失，其中自由水散失最为明显。

图3 干燥温度对杏鲍菇横向弛豫时间T2反演图谱的影响

3.干燥时间对杏鲍菇低场核磁锋面积总和的影响。低场核磁锋面积总和指的是自由水、半结合水和结合水所对应的三个吸收峰的面积之和。我们从5个温度中挑选50℃间隔15 min为例说明干燥时间对杏鲍菇低场核磁锋面积总和的影响（图4，其他温度类似）。可见，核磁锋面积总和与物料内的水分含量具有对应关系，随干燥时间的延续，核磁锋面积总和呈显著降低趋势，说明干燥时间越长，水分含量越低。

图4 干燥时间对杏鲍菇LF-NMR锋面积总和的影响

4.低场核磁共振总信号幅值与杏鲍菇薄片干基含水率相关性分析。为了分析杏鲍菇LF-NMR总信号幅值与其干燥特性参数干基含水率之间的相关性，我们以50℃下干燥165 min为例，对干基含水率和核磁共振检测出的总峰面积进行拟合（图5）。拟合后，LF-NMR总峰面积与杏鲍菇的干基含水率之间呈明显的线性关系（相关系数R2=0.981），得出的线性方程为y=8.213 1x+1 043.1。因此，可以根据LF-NMR检测出的信号幅值找出所对应的干基含水率，证明在生产实践中利用LF-NMR进行水分含量的无损检测是可行的。

图5 杏鲍菇LF-NMR峰面积总和与其干基含水率之间的相关性

三、结论

文章采用LF-NMR探讨了杏鲍菇在热风干燥过程中水分的迁移规律。结果表明，T2反演后在各时间段均出现3个明显的波峰，代表杏鲍菇菌柄内3种不同状态的水：结合水、半结合水和自由水。随着干燥时间的增加，波峰均向左迁移，自由度最大的自由水降幅最大；随着温度的升高，自由水和半结合水对应的吸收峰逐渐回落且向左移动。表明干燥时间的增加和温度的升高可加快水分的散失，其中自由水的散失最明显，这与以前的研究结论相一致。［15，17］而且，随干燥时间的延续，核磁锋面积总和呈显著降低趋势，说明干燥时间越长，水分含量越低。另外，杏鲍菇在干燥过程中的干基含水率与其低场核磁总信号面积之间存在显著的线性关系，因此，在生产实践中，可利用LF-NMR对杏鲍菇的水分含量进行无损检测。